Хромозомите са основните структурни елементи на клетъчното ядро, които са носители на гени, в които е кодирана наследствената информация. Имайки способността да се възпроизвеждат, хромозомите осигуряват генетична връзка между поколенията.
Морфологията на хромозомите е свързана със степента на тяхната спирализация. Например, ако на етапа на интерфаза (виж Митоза, Мейоза) хромозомите са максимално разгънати, т.е. деспирализирани, тогава с началото на деленето хромозомите интензивно се спирализират и скъсяват. Максимална спирализация и скъсяване на хромозомите се постига на етапа на метафазата, когато се образуват относително къси, плътни структури, които са интензивно оцветени с основни багрила. Този етап е най-удобен за изследване на морфологичните характеристики на хромозомите.
Метафазната хромозома се състои от две надлъжни субединици - хроматиди [разкрива елементарни нишки в структурата на хромозомите (така наречените хромонеми или хромофибрили) с дебелина 200 Å, всяка от които се състои от две субединици].
Размерите на растителните и животинските хромозоми варират значително: от части от микрона до десетки микрони. Средната дължина на човешките метафазни хромозоми варира от 1,5-10 микрона.
Химическата основа на структурата на хромозомите са нуклеопротеините - комплекси (виж) с основните протеини - хистони и протамини.
Ориз. 1. Структурата на нормалната хромозома.
А - външен вид; B - вътрешна структура: 1-първично стеснение; 2 - вторично стесняване; 3 - сателит; 4 - центромер.
Индивидуалните хромозоми (фиг. 1) се отличават с локализацията на първичната констрикция, т.е. местоположението на центромера (по време на митозата и мейозата към това място са прикрепени нишки на вретено, които го дърпат към полюса). Когато се загуби центромера, хромозомните фрагменти губят способността си да се разделят по време на деленето. Първичната констрикция разделя хромозомите на 2 рамена. В зависимост от местоположението на първичната констрикция хромозомите се делят на метацентрични (двете рамена са еднакви или почти еднакви по дължина), субметацентрични (рамена с различна дължина) и акроцентрични (центромерата е изместена към края на хромозомата). В допълнение към първичната, в хромозомите могат да се открият по-слабо изразени вторични стеснения. Малък краен участък от хромозоми, разделен от вторично стесняване, се нарича сателит.
Всеки тип организъм се характеризира със свой специфичен (по отношение на броя, размера и формата на хромозомите) така наречения хромозомен набор. Съвкупността от двоен или диплоиден набор от хромозоми се обозначава като кариотип.
Ориз. 2. Нормален хромозомен набор на жена (две X хромозоми в долния десен ъгъл).
Ориз. 3. Нормалният хромозомен набор на мъж (в долния десен ъгъл - последователно X и Y хромозоми).
Зрелите яйца съдържат единичен или хаплоиден набор от хромозоми (n), който съставлява половината от диплоидния набор (2n), присъщ на хромозомите на всички други клетки на тялото. В диплоидния набор всяка хромозома е представена от двойка хомолози, единият от които е от майчина линия, а другият от баща. В повечето случаи хромозомите на всяка двойка са идентични по размер, форма и генен състав. Изключение правят половите хромозоми, наличието на които определя развитието на тялото в мъжка или женска посока. Нормалният набор от човешки хромозоми се състои от 22 двойки автозоми и една двойка полови хромозоми. При хората и другите бозайници женската се определя от наличието на две X хромозоми, а мъжката от една X и една Y хромозома (фиг. 2 и 3). В женските клетки една от Х-хромозомите е генетично неактивна и се намира в интерфазното ядро под формата (виж). Изследването на човешките хромозоми в здравето и болестта е предмет на медицинската цитогенетика. Установено е, че отклоненията в броя или структурата на хромозомите от нормата, които възникват в репродуктивните органи! клетки или в ранните стадии на фрагментация на оплодената яйцеклетка, причиняват смущения в нормалното развитие на организма, причинявайки в някои случаи появата на някои спонтанни аборти, мъртвородени деца, вродени деформации и аномалии в развитието след раждането (хромозомни заболявания). Примери за хромозомни заболявания включват болестта на Даун (допълнителна G хромозома), синдром на Klinefelter (допълнителна X хромозома при мъжете) и (липса на Y или една от X хромозомите в кариотипа). IN медицинска практикахромозомният анализ се извършва директно (върху клетки от костен мозък) или след краткотрайно култивиране на клетки извън тялото (периферна кръв, кожа, ембрионална тъкан).
Хромозомите (от гръцки chroma - цвят и soma - тяло) са нишковидни, самовъзпроизвеждащи се структурни елементи на клетъчното ядро, съдържащи фактори на наследствеността - гени - в линеен ред. Хромозомите са ясно видими в ядрото по време на деленето на соматичните клетки (митоза) и по време на деленето (узряването) на зародишните клетки - мейоза (фиг. 1). И в двата случая хромозомите са интензивно оцветени с основни багрила и се виждат и върху неоцветени цитологични препарати във фазов контраст. В интерфазното ядро хромозомите са деспирализирани и не се виждат в светлинен микроскоп, тъй като техните напречни размери надвишават границите на разделителна способност на светлинния микроскоп. По това време отделни участъци от хромозоми под формата на тънки нишки с диаметър 100-500 Å могат да бъдат разграничени с помощта на електронен микроскоп. Индивидуални недеспирализирани участъци от хромозоми в интерфазното ядро се виждат през светлинен микроскоп като интензивно оцветени (хетеропикнотични) области (хромоцентрове).
Хромозомите съществуват непрекъснато в клетъчното ядро, преминавайки през цикъл на обратима спирализация: митоза-интерфаза-митоза. Основните модели на структурата и поведението на хромозомите при митоза, мейоза и по време на оплождане са еднакви във всички организми.
Хромозомна теория на наследствеността. Хромозомите са описани за първи път от I. D. Chistyakov през 1874 г. и E. Strasburger през 1879 г. През 1901 г. E. V. Wilson и през 1902 г. W. S. Sutton обръщат внимание на паралелизма в поведението на хромозомите и менделските фактори на наследствеността - гените - в мейозата и по време на оплождане и стигна до извода, че гените се намират в хромозомите. През 1915-1920г Морган (T.N. Morgan) и неговите сътрудници доказват тази позиция, локализират няколкостотин гена в хромозомите на Drosophila и създават генетични карти на хромозомите. Данните за хромозомите, получени през първата четвърт на 20 век, са в основата на хромозомната теория за наследствеността, според която непрекъснатостта на характеристиките на клетките и организмите в редица техни поколения се осигурява от непрекъснатостта на техните хромозоми.
Химичен състав и авторепродукция на хромозомите. В резултат на цитохимични и биохимични изследвания на хромозомите през 30-те и 50-те години на 20 век е установено, че те се състоят от постоянни компоненти [ДНК (виж Нуклеинови киселини), основни протеини (хистони или протамини), нехистонови протеини] и променливи компоненти (РНК и киселинен протеин, свързан с нея). Основата на хромозомите се състои от дезоксирибонуклеопротеинови нишки с диаметър около 200 Å (фиг. 2), които могат да бъдат свързани в снопчета с диаметър 500 Å.
Откриването от Уотсън и Крик (J. D. Watson, F. N. Crick) през 1953 г. на структурата на молекулата на ДНК, механизма на нейното авторепродуциране (редупликация) и нуклеиновия код на ДНК и развитието на молекулярната генетика, възникнало след това, доведе до идеята за гените като участъци от молекулата на ДНК. (вижте Генетика). Бяха разкрити моделите на авторепродукция на хромозоми [Тейлър (J. N. Taylor) et al., 1957], които се оказаха подобни на моделите на авторепродукция на ДНК молекули (полуконсервативна редупликация).
Хромозомен набор- съвкупността от всички хромозоми в клетката. Всеки биологичен вид има характерен и постоянен набор от хромозоми, фиксиран в еволюцията на този вид. Има два основни типа набори от хромозоми: единични или хаплоидни (в животински зародишни клетки), означени с n, и двойни или диплоидни (в соматични клетки, съдържащи двойки подобни, хомоложни хромозоми от майката и бащата), означени с 2n .
Наборите от хромозоми на отделните биологични видове варират значително в броя на хромозомите: от 2 (конски кръгъл червей) до стотици и хиляди (някои спорови растения и протозои). Броят на диплоидните хромозоми на някои организми е както следва: хора - 46, горили - 48, котки - 60, плъхове - 42, плодови мушици - 8.
Размери на хромозомите различни видовесъщо са различни. Дължината на хромозомите (в метафазата на митозата) варира от 0,2 микрона при някои видове до 50 микрона при други, а диаметърът от 0,2 до 3 микрона.
Морфологията на хромозомите е добре изразена в метафазата на митозата. Метафазните хромозоми се използват за идентифициране на хромозоми. В такива хромозоми и двете хроматиди са ясно видими, в които всяка хромозома и центромерът (кинетохор, първична констрикция), свързващи хроматидите, са надлъжно разделени (фиг. 3). Центромерът се вижда като стеснена област, която не съдържа хроматин (виж); към него са прикрепени нишките на ахроматиновото вретено, поради което центромерът определя движението на хромозомите към полюсите при митоза и мейоза (фиг. 4).
Загубата на центромер, например когато една хромозома е счупена от йонизиращо лъчение или други мутагени, води до загуба на способността на частта от хромозомата без центромера (ацентричен фрагмент) да участва в митозата и мейозата и до загубата му от ядро. Това може да причини сериозно увреждане на клетките.
Центромерът разделя тялото на хромозомата на две рамена. Местоположението на центромера е строго постоянно за всяка хромозома и определя три вида хромозоми: 1) акроцентрични или пръчковидни хромозоми с едно дълго и второ много късо рамо, наподобяващо глава; 2) субметацентрични хромозоми с дълги рамена с различна дължина; 3) метацентрични хромозоми с рамена с еднаква или почти еднаква дължина (фиг. 3, 4, 5 и 7).
Ориз. 4. Схема на хромозомната структура в метафазата на митозата след надлъжно разделяне на центромера: А и А1 - сестрински хроматиди; 1 - дълго рамо; 2 - късо рамо; 3 - вторично стесняване; 4- центромер; 5 - шпинделни влакна.
Характерни черти на морфологията на някои хромозоми са вторичните стеснения (които нямат функцията на центромер), както и сателитите - малки участъци от хромозоми, свързани с останалата част от тялото чрез тънка нишка (фиг. 5). Сателитните нишки имат способността да образуват нуклеоли. Характерната структура на хромозомата (хромомерите) е удебеляване или по-плътно навити участъци от хромозомната нишка (хромонеми). Хромомерният модел е специфичен за всяка двойка хромозоми.
Ориз. 5. Схема на морфологията на хромозомата в анафазата на митозата (хроматидът се простира до полюса). А - външен вид на хромозомата; B - вътрешна структура на същата хромозома с нейните две съставни хромонеми (хемихроматиди): 1 - първична констрикция с хромомери, съставляващи центромера; 2 - вторично стесняване; 3 - сателит; 4 - сателитна резба.
Броят на хромозомите, техният размер и форма на метафазния етап са характерни за всеки тип организъм. Комбинацията от тези характеристики на набор от хромозоми се нарича кариотип. Кариотипът може да бъде представен в диаграма, наречена идиограма (вижте човешките хромозоми по-долу).
Полови хромозоми. Гените, които определят пола, са локализирани в специална двойка хромозоми - полови хромозоми (бозайници, хора); в други случаи iol се определя от съотношението на броя на половите хромозоми и всички останали, наречени автозоми (Drosophila). При хората, както и при другите бозайници, женският пол се определя от две еднакви хромозоми, обозначени като X хромозоми, мъжкият пол се определя от двойка хетероморфни хромозоми: X и Y. В резултат на редукционното делене (мейоза) по време на узряване на яйцеклетки (виж Оогенеза) при жените всички яйцеклетки съдържат една Х хромозома. При мъжете, в резултат на редукционното делене (узряване) на сперматоцитите, половината от спермата съдържа X хромозома, а другата половина Y хромозома. Полът на детето се определя от случайното оплождане на яйцеклетка от сперма, носеща X или Y хромозома. Резултатът е женски (XX) или мъжки (XY) ембрион. В интерфазното ядро на жените една от X хромозомите се вижда като бучка компактен полов хроматин.
Функциониране на хромозоми и ядрен метаболизъм. Хромозомната ДНК е матрицата за синтеза на специфични информационни РНК молекули. Този синтез се случва, когато даден участък от хромозомата се деспирира. Примери за локално хромозомно активиране са: образуването на деспирализирани хромозомни бримки в яйцеклетките на птици, земноводни, риби (т.нар. X-лампови четки) и подувания (издувания) на определени хромозомни локуси в многоверижни (политенни) хромозоми на слюнчените жлези и други секреторни органи на двукрилите насекоми (фиг. 6). Пример за инактивиране на цяла хромозома, т.е. изключването й от метаболизма на дадена клетка, е образуването на една от Х хромозомите на компактно тяло от полов хроматин.
Ориз. 6. Политенни хромозоми на двукрилото насекомо Acriscotopus lucidus: A и B - област, ограничена с пунктирани линии, в състояние на интензивно функциониране (пуф); B - същата зона в нефункциониращо състояние. Цифрите показват отделни хромозомни локуси (хромомери).
Ориз. 7. Хромозомен набор в култура от мъжки левкоцити от периферна кръв (2n=46).
Разкриването на механизмите на функциониране на политеновите хромозоми от типа на ламповата четка и други видове хромозомна спирализация и деспирализация е от решаващо значение за разбирането на обратимото диференциално генно активиране.
Човешки хромозоми. През 1922 г. T. S. Painter установява, че диплоидният брой на човешките хромозоми (в сперматогониите) е 48. През 1956 г. Тио и Леван (N. J. Tjio, A. Levan) използват набор от нови методи за изследване на човешки хромозоми: клетъчна култура; изследване на хромозоми без хистологични срезове върху цели клетъчни препарати; колхицин, което води до спиране на митозите на етапа на метафазата и натрупването на такива метафази; фитохемаглутинин, който стимулира навлизането на клетките в митоза; третиране на метафазни клетки с хипотоничен физиологичен разтвор. Всичко това позволи да се изясни диплоидният брой хромозоми при хората (оказа се 46) и да се даде описание на човешкия кариотип. През 1960 г. в Денвър (САЩ) международна комисия разработи номенклатура на човешките хромозоми. Според предложенията на комисията терминът "кариотип" трябва да се прилага за систематичния набор от хромозоми на една клетка (фиг. 7 и 8). Терминът "идиотрам" се запазва, за да представи набора от хромозоми под формата на диаграма, изградена от измервания и описания на хромозомната морфология на няколко клетки.
Човешките хромозоми са номерирани (донякъде серийно) от 1 до 22 в съответствие с морфологичните характеристики, които позволяват тяхната идентификация. Половите хромозоми нямат номера и се обозначават като X и Y (фиг. 8).
Открита е връзка между редица заболявания и вродени дефекти в развитието на човека с промени в броя и структурата на неговите хромозоми. (виж Наследственост).
Вижте също Цитогенетични изследвания.
Всички тези постижения създадоха солидна основа за развитието на човешката цитогенетика.
Ориз. 1. Хромозоми: А - в анафазния стадий на митозата в трилистните микроспороцити; B - в метафазния стадий на първото мейотично делене в поленовите майчини клетки на Tradescantia. И в двата случая се вижда спиралната структура на хромозомите.
Ориз. 2. Елементарни хромозомни нишки с диаметър 100 Å (ДНК + хистон) от интерфазни ядра на тимусната жлеза на телето (електронна микроскопия): А - нишки, изолирани от ядра; B - тънък разрез през филма от същия препарат.
Ориз. 3. Хромозомен набор от Vicia faba (боб) в метафазен стадий.
Ориз. 8. Хромозомите са същите като на фиг. 7, комплекти, систематизирани според Денвърската номенклатура в двойки хомолози (кариотип).
Самоудвояването и редовното разпределение на половите (X и Y) хромозоми между дъщерните клетки осигурява предаването на наследствена информация. Човешкият хромозомен набор съдържа 22 двойки соматични хромозоми (автозоми), които са абсолютно еднакви при мъжете и жените, и една двойка полови хромозоми, които се различават в зависимост от пола. Комбинацията от двойка X хромозоми (XX) в зиготата определя развитието на женското тяло, комбинацията от XY определя развитието на мъжкото тяло.
Y хромозомата съдържа само фактори, свързани с определянето на пола (виж Генетика на пола); няма други клинично важни гени. Х-хромозомата, въпреки че не е от решаващо значение за определяне на пола и формирането на полови белези, има стотици клинично значими гени, чиито промени (мутации) могат да причинят много наследствени заболявания (хемофилия, миопатия на Дюшен и др.).
Поради факта, че жените имат две Х-хромозоми, а мъжете имат една, унаследяването на заболявания, чиито гени са разположени на Х-хромозомата, е необичайно: в повечето случаи такива заболявания се появяват при мъжете и не се появяват при жените.
Полови хромозоми, или гонозоми, - хромозоми, наборът от които разграничава мъжки и женски индивиди при животни и растения с хромозомно определяне на пола.
Традиционно половите хромозоми, за разлика от автозомите, които са обозначени със серийни номера, се обозначават с буквите X, Y, Z или W. Липсата на полова хромозома се обозначава с числото 0. Като правило, една от пола се определя от наличието на двойка идентични полови хромозоми (XX или ZZ), а другият - комбинация от две несдвоени хромозоми или наличието само на една полова хромозома (XY, ZW, X0, Z0).
Етаж, който има два еднакви полови хромозоми, произвежда гамети, които не се различават по полови хромозоми, този пол се нарича хомогаметичен. При пол, определен от набор от несдвоени полови хромозоми, половината от гаметите носят една полова хромозома, а половината от гаметите носят другата полова хромозома, този пол се нарича хетерогаметичен. При хората, както при всички бозайници, хомогаметният пол е женски (XX), хетерогаметният пол е мъжки (XY). При птиците, напротив, хетерогаметният пол е женски (ZW), а хомогаметичният пол е мъжки (ZZ). В някои случаи полът се определя не от една, а от няколко двойки полови хромозоми. Например, птицечовката има пет чифта полови хромозоми, женският пол се определя от комбинацията XXXXXXXXXX, а мъжкият - XYXYXYXYXY.
Изследването на кариотипа на човек под микроскоп се извършва с помощта на цитогенетичен метод.
Кариотип- набор от хромозоми, характерни за соматичните клетки на даден организъм.
Идеограма (систематизиран кариотип) -графично представяне на хромозомите, като се вземат предвид тяхната абсолютна и относителна дължина, центромерен индекс, наличие на второ стесняване и сателит.
Понятието кариотип е въведено от Sov. генетик Г. А. Левицки (1924). Кариотипът е една от най-важните генетични характеристики на вида, т.к Всеки вид има свой собствен кариотип, който се различава от кариотипа на сродните видове (на това се основава нов клон на систематиката - т.нар. кариосистематика). Постоянството на кариотипа в клетките на един организъм се осигурява от митоза, а в рамките на един вид - от мейоза. Кариотипът на организма може да се промени, ако половите клетки (гамети) претърпят промени под въздействието на мутации. Понякога кариотипът на отделните клетки се различава от кариотипа на вида в резултат на така наречените хромозомни или геномни соматични мутации. Кариотипът на диплоидните клетки се състои от 2 хаплоидни комплекта хромозоми (геноми), получени от единия или другия родител; Всяка хромозома от такъв набор има хомолог от друг набор. Кариотипът на мъжете и жените може да се различава по формата (понякога и броя) на половите хромозоми, в който случай те се описват отделно. Хромозомите в кариотипа се изследват в метафазния стадий на митозата. Описание Кариотипът трябва да бъде придружен от микроснимка или скица. За систематизиране на кариотипа двойките хомоложни хромозоми са подредени, например, в намаляваща дължина, като се започне с най-дългата двойка; двойките полови хромозоми са разположени в края на реда.
Двойките хромозоми, които не се различават по дължина, се идентифицират по позицията на центромера (първично свиване), което разделя хромозомата на 2 рамена, нуклеоларния организатор (вторично свиване), по формата на сателита и други характеристики. Изучен е кариотипът на няколко хиляди диви и култивирани вида растения, животни и хора.
автозоми -сдвоени хромозоми, еднакви за мъжките и женските организми. В клетките на човешкото тяло има 44 автозоми (22 двойки).
полови хромозоми -хромозоми, съдържащи гени, които определят половите характеристики на организма.
В кариотипа (качествен и количествен набор от хромозоми) на жените половите хромозоми са еднакви. В кариотипа на мъжа има една голяма полова хромозома с еднаква ръка, другата е малка пръчковидна хромозома.
Женските полови хромозоми са обозначени с XX, а мъжките полови хромозоми са обозначени с XY. Женско тялообразува гамети с еднакви полови хромозоми (хомогаметичен организъм), а мъжкото тяло образува гамети с нееднакви полови хромозоми (X и Y).
При птици, пеперуди и някои видове риби мъжкият пол е хомогаметен. При петела кариотипът е обозначен с XX, а при пилето е обозначен с XY.
24. Пол, неговата предопределеност (прогамен, сингамен, епигамен).
Етаж -Това е набор от характеристики и свойства на организма, които определят участието му в размножаването.
Полът на индивида може да се определи:
а) преди оплождането на яйцеклетката от спермата (програмно определяне на пола);
б) в момента на оплождане (сингамно определяне на пола);
в) след оплождане (епигамно определяне на пола).
Преди оплождането полът се определя при някои организми в резултат на разделянето на яйцата на бързо и бавно растящи. Първите (по-големите) след сливане с мъжката гамета дават начало на женските, а вторите (малките) пораждат мъжките. При ротиферите, които са способни да се възпроизвеждат в допълнение към обичайното сексуално размножаване с оплождане, партеногенетично, част от партеногенетичните яйца губят половината от своите хромозоми по време на развитието. От такива яйца се развиват мъжки, а останалите пораждат женски.
В морската анелида Bonellia определянето на пола става по време на процеса на онтогенеза: ако ларвата се установи на дъното, от нея се развива женска, а ако се прикрепи към хоботчето на възрастна женска, тогава мъжки.
При по-голямата част от еукариотите полът се определя в момента на оплождането и се определя генотипно от хромозомния набор, който зиготата получава от своите родители. Клетките на мъжките и женските животни се различават по своята двойка хромозоми. Тази двойка се нарича полови хромозоми (хетерозоми) за разлика от останалите - автозоми. Половите хромозоми обикновено се наричат X и Y хромозоми. В зависимост от комбинацията им в организмите има 5 вида хромозомно определяне на пола:
1) XX, XO (O означава липса на хромозоми), открити във видовете Protenor (насекоми);
2) XX, XY - характерно е например за дрозофила, бозайници (включително хора);
3) XY, XX - този тип определяне на пола е типичен за пеперуди, птици и влечуги;
4) XO, XX - наблюдава се при листни въшки;
5) хаплодиплоиден тип (2n, n) се среща например при пчелите: мъжките се развиват от неоплодени хаплоидни яйца, женските от оплодени диплоидни яйца.
Специфичните механизми, свързващи развитието на мъжки или женски пол с определена комбинация от полови хромозоми, варират от организъм до организъм. При хората, например, полът се определя от наличието на Y хромозома: тя съдържа TDP гена, кодира тестиса - определящият фактор, който определя развитието на мъжкия пол.
При Drosophila Y хромозомата съдържа гена за плодовитост, който е отговорен за плодовитостта на мъжа, а полът се определя от баланса на броя на X хромозомите и броя на наборите от автозоми (типичен диплоиден организъм съдържа, съответно, два комплекта автозоми). Х-хромозомите съдържат гени, които определят развитието по женския път, а автозомите - по мъжкия.
Ако съотношението на броя на Х-хромозомите към броя на комплектите автозоми е 0,5, тогава се развива мъж, а ако е 1, тогава се развива жена.
В допълнение към нормалните мъже и жени понякога се появяват интерсексуални индивиди - индивиди, чиито полови белези заемат междинна позиция между мъжки и женски (да не се бъркат с хермафродити!). Това може да бъде причинено както от анеуплоидия на половите хромозоми в гаметите, така и от различни нарушения (например хормонални) по време на процеса на диференциация на пола.
Половите хромозоми, за разлика от автозомите, не се обозначават със серийни номера, а с буквите X, Y, W или Z, а отсъствието на хромозома се обозначава с числото 0. В този случай един от половете се определя от наличие на двойка идентични полови хромозоми (хомогаметичен пол, XX или WW), а другият чрез комбинация от две несдвоени хромозоми или наличието само на една полова хромозома (хетерогаметен пол, XY, WZ или X0). При хората, както и при повечето бозайници, хомогаметният пол е женски (XX), хетерогаметният пол е мъжки (XY). При птиците, напротив, хетерогаметният пол е женски (WZ), а хомогаметичният пол е мъжки (WW). Земноводните и влечугите имат видове (например всички видове змии) с хомогаметни мъжки и хетерогаметни женски, а някои костенурки (кръстогърдата костенурка Staurotypus salvinii и черната сладководна костенурка Siebenrockiella crassicollis), напротив, имат хетерогаметни мъжки и хомогаметни женски. В някои случаи (при птицечовката) полът се определя не от една, а от пет двойки полови хромозоми
Фигура 13. Карта на човешката X хромозома
При водните кончета е доказано, че формата XY е еволюционно по-нова от формата XO. Друга гледна точка е, че половите хромозоми произхождат от обикновена двойка автозоми, носещи гени, определящи пола. Следователно при някои видове (по-примитивни) Y хромозомата е със същия размер като X хромозомата, конюгира с нея напълно или частично и участва в кросинговъра. А при други видове тя е малка, свързана край до край с X хромозомата, без да се пресича. В процеса на еволюция Y хромозомата по някаква причина губи активни гени, деградира и изчезва, тъй като формата XY предшества XO.
Фигура 14. Полови хромозоми (X и Y)
Y хромозомата е най-променливата хромозома в генома. При хората той е генетично почти празен (генът за косматите уши и мембраните между пръстите на краката). При други видове може да съдържа много активни гени - при гупите - около 30 Y-гена за оцветяване на мъжките (и само 1 автозомен ген).
Drosophila Y хромозома.Съдържа 9 гена: 6 определят мъжкия фертилитет, 3 клъстер на рРНК гени. Активността на bb гените води до образуването на ядрото. Генът bb, образуващ ядрото, също присъства на X хромозомата - мястото за сдвояване на X и Y хромозомите - мястото на collohaes. Отговорни за конюгацията са къси последователности от нуклеотиди (240 bp), разположени между rRNA гените в X и Y хромозомите. Отстраняване на bb локуса - няма конюгация на половите хромозоми. Друг ген - кристален - влияе върху поведението на хромозомите в мейозата. Неговата делеция нарушава сегрегацията на хромозомите в мейозата.
Drosophila има 6 мъжки фактора за плодовитост. От тях 3 са много големи - заемат по 10% от Y хромозомата, т.е. 4000 kb всеки
Има 2 вида последователности в ДНК на Y хромозомата:
Y - специфични - семейства от 200-2000 копия, организирани в клъстери от тандемно повтарящи се единици с дължина 200-400 bp. Вероятно разположени в примки.
Y-свързани (намерени в други хромозоми).
Човешка Y хромозома
Y хромозомата е най-малката от 24-те хромозоми при хората и съдържа около 2-3% от ДНК на хаплоидния геном, възлизащ на приблизително 51 Mb. От общия обем на ДНК на Y-хромозомата, 21,8 Mb са секвенирани до момента. Късото рамо на Y хромозомата (Yp) съдържа приблизително 11 Mb, а дългото рамо (Yq) съдържа 40 Mb ДНК, от които около 7 Mb е в еухроматичната част на Yq и около 3 Mb ДНК е в центромерната област на хромозомата. По-голямата част (~60%) от дългото рамо на Y хромозомата е функционално неактивен хетерохроматин с размер приблизително 24 Mb. Y хромозомата има няколко региона: псевдоавтозомни региони (PARs); - еухроматична област на късото рамо (Yp11); - еухроматична област на проксималната част на дългата ръка (Yq11); - хетерохроматична област на дисталната част на дългото рамо (Yq12); - регион на перицентромерен хетерохроматин.
Y хромозомата съдържа около 100 функционални гена. Поради наличието на хомоложни PAR региони на X и Y хромозомите (теломерите), половите хромозоми редовно се конюгират и рекомбинират с части от тези региони в зиготена и пахитена на профаза I на мейозата. Въпреки това, повечето (~95%) от Y хромозомата не участва в рекомбинацията и следователно се нарича нерекомбинантна област на Y хромозомата (NRY - нерекомбинантна област Y хромозома).
Хетерохроматичният регион на дългото рамо на Y хромозомата е генетично инертен и съдържа различни видове повторения, включително силно повтарящи се последователности от двете семейства DYZ1 и DYZ2, всяка от които е представена съответно от приблизително 5000 и 2000 копия.
Въз основа на сравнителен анализ на гените на гонозомите X и Y, в Y хромозомата се разграничават три групи гени:
1. PAR гени (PAR - Pseudoautosomal Region; гени на псевдоавтозомните региони PAR1 и PAR2), локализирани в теломерните региони на Y хромозомата;
2. X-Y хомоложни гени, локализирани в нерекомбиниращите региони Yp и Yq;
3. 3. Y-специфични гени, разположени в нерекомбиниращите области на Yp и Yq.
Фигура 15. Y хромозома
Първата група е представена от гени на псевдоавтозомни региони (региони). Те са идентични на X и Y хромозомите и се наследяват като автозомни гени. Регионът PAR1 се намира в края на късото рамо на Y хромозомата, той е по-голям по размер от региона PAR2, разположен в края на дългото рамо на Y хромозомата, и размерът му е приблизително 2,6 Mb. Тъй като делециите на PAR1 водят до смущения в гонозомната конюгация по време на мейозата при мъжете и могат да доведат до мъжко безплодие, се предполага, че PAR регионите са от съществено значение за нормалния ход на сперматогенезата при мъжете.
Втората група гени съдържа X-Y хомоложни, но не идентични гени, които са локализирани в нерекомбиниращи области на Y хромозомата (на Yp и Yq). Той включва 10 гена, представени в едно копие на Y хромозомата, повечето от тях се експресират при хора в много тъкани и органи, включително тестисите и простатната жлеза. Все още не е известно дали тези X-Y хомоложни гени са функционално взаимозаменяеми.
Третата група гени се състои от 11 гена, които са разположени в нерекомбиниращата област на Y-гонозомата (NRY). Всички тези гени, с изключение на гена SRY (половоопределяща област Y хромозома), представен от едно копие, са многокопийни и техните копия са разположени на двете рамена на Y хромозомата. Някои от тях са кандидат-гени за фактора AZF (фактор на азооспермия или фактор на азооспермия).
Малко се знае за точните функции на повечето от тези гени. Продуктите, кодирани от гените на нерекомбиниращата област на Y хромозомата, имат различни функции, например, транскрипционни фактори, цитокинови рецептори, протеин кинази и фосфатази, които могат да повлияят на клетъчната пролиферация и/или клетъчното сигнализиране.
Локусът AZF (Azoospermia Factor) се намира на дългото рамо на Y хромозомата - съдържа гени, които контролират процеса на диференциация на зародишните клетки, т.е. сперматогенеза. В този локус има 3 региона - a (800 kb), b (3,2 милиона bp), c (3,5 милиона bp). Микроделециите на участъци от този локус са една от основните генетични причини за мъжкото безплодие. Микроделеции на дългото рамо на Y хромозомата се откриват при 11% от мъжете с азооспермия и при 8% от мъжете с тежка олигозооспермия. Със заличаването на целия c-регион на AZF локуса може да възникне блок в митозата и мейозата по време на сперматогенезата; На хистологичните препарати при такива пациенти по-голямата част от семенните тубули нямат зародишни клетки.
Y хромозомата се характеризира със специфични характеристики, които рязко я отличават от другите човешки хромозоми: 1) изчерпване на гени;
2) обогатяване с повтарящи се блокове от нуклеотиди. Наличие на значителни хетерохроматични области;
3) наличието на област на хомология с Х-хромозомата - псевдоавтозомната област (PAR) (Chernykh, Kurilo, 2001).
Y хромозомата обикновено не е голяма - 2-3% от хаплоидния геном. Въпреки това, кодиращият капацитет на неговата ДНК при Хомо сапиенс е достатъчен за поне няколко хиляди гена. Въпреки това, в този обект, само около 40 така наречените CrG острови, обогатени с GC двойки, се откриват върху Y хромозомата, обикновено фланкирайки по-голямата част от гените. Действителният списък от генетични функции, свързани с тази хромозома, е наполовина по-дълъг. Фенотипното влияние на тази хромозома при мишки е ограничено от теглото на тестисите, нивата на тестостерон, серологичния HY антиген, чувствителността на органите към андрогени и сексуалното поведение. Повечето от гените на тази хромозома имат X-хромозомни аналози. Повечето от последователностите на Y хромозомата са хомоложни на ДНК на X хромозомата или автозомите и само някои от тях са строго уникални.
Наличието на псевдоавтозомни региони, позволяващи мейотично сдвояване и рекомбинация, обикновено се счита за необходимо условие за плодовитост. Интересното е, че размерът на региона на мейотично сдвояване е значително по-дълъг от PAR. При хората има две псевдоавтозомни области в горната част на късите и дългите рамена на X хромозомата. Но само за първия от тях е установен облигатен метаболизъм в мейозата, наличието на хиазми и влиянието върху плодовитостта.
Предполага се, че половите хромозоми на бозайниците произлизат от автозомата на предците в резултат на независими цикли: добавяне - рекомбинация - разграждане. PAR, в тази терминология, е само реликва от това последно допълнение. След това настъпва разграждане и загуба на съответните части на Y хромозомата и инактивиране на X хромозомата. Всички гени, присъстващи на Y хромозомата, или имат реална селективна стойност (например SRY), или са на път да изчезнат. Всеки Y-хромозомен ген, който бързо се разминава, усилва или е склонен към изчезване, има свой хомолог на X хромозомата, която е по-консервирана и активна и при двата пола. По този начин, Sox3, предполагаем Х-хромозомен хомолог на SRY, кодира почти идентични продукти при хора, мишки и торбести животни и се експресира в нервната система на двата пола. SRY се отклонява бързо и е активен само в гонадния туберкул. Този Y-хромозомен ген се усилва в много мишки и плъхове.
По този начин Y хромозомата, единствената в генома на бозайниците, не работи директно за реализиране на фенотипа. Неговото генетично значение е свързано с приемствеността между поколенията, по-специално с контрола на гаметогенезата и първичното определяне на пола. Строгият подбор действа само върху няколко от гените му, останалата част от ДНК е по-пластична.
Предмет на генетичните изследвания са явленията наследственост и изменчивост. американски учен Т-Х. Морган създава хромозомната теория за наследствеността, която доказва, че всеки биологичен вид може да се характеризира със специфичен кариотип, който съдържа такива видове хромозоми като соматични и полови хромозоми. Последните са представени от отделна двойка, разграничена от мъжки и женски индивиди. В тази статия ще проучим каква структура имат женските и мъжките хромозоми и как се различават една от друга.
Какво е кариотип?
Всяка клетка, съдържаща ядро, се характеризира с определен брой хромозоми. Нарича се кариотип. При различните биологични видове наличието на структурни единици на наследствеността е строго специфично, например човешкият кариотип е 46 хромозоми, шимпанзетата - 48, раците - 112. Тяхната структура, размер, форма се различават при индивиди, принадлежащи към различни систематични таксони.
Броят на хромозомите в клетката на тялото се нарича диплоиден набор. Характерно е за соматичните органи и тъкани. Ако в резултат на мутации кариотипът се промени (например при пациенти със синдром на Клайнфелтер броят на хромозомите е 47, 48), тогава такива индивиди имат намалена плодовитост и в повечето случаи са безплодни. Друго наследствено заболяване, свързано с половите хромозоми, е синдромът на Turner-Shereshevsky. Среща се при жени, които имат 45, а не 46 хромозоми в кариотипа си. Това означава, че в една сексуална двойка няма две Х хромозоми, а само една. Фенотипно това се изразява в недоразвитие на половите жлези, слабо изразени вторични полови белези и безплодие.
Соматични и полови хромозоми
Те се различават както по форма, така и по набор от гени, които ги изграждат. Мъжките хромозоми на хората и бозайниците са включени в хетерогаметичната полова двойка XY, която осигурява развитието както на първични, така и на вторични мъжки полови белези.
При мъжките птици половата двойка съдържа две еднакви ZZ мъжки хромозоми и се нарича хомогаметна. За разлика от хромозомите, които определят пола на организма, кариотипът съдържа наследствени структури, които са идентични както при мъжете, така и при жените. Те се наричат автозоми. В човешкия кариотип има 22 двойки от тях. Сексуалните мъжки и женски хромозоми образуват 23 двойки, така че кариотипът на мъжа може да бъде представен като обща формула: 22 двойки автозоми + XY, а жените - 22 двойки автозоми + XX.
Мейоза
Образуването на зародишни клетки - гамети, чието сливане образува зигота, се случва в половите жлези: тестисите и яйчниците. В техните тъкани възниква мейоза - процесът на клетъчно делене, водещ до образуването на гамети, съдържащи хаплоиден набор от хромозоми.
Оогенезата в яйчниците води до узряване на яйцеклетки само от един тип: 22 автозоми + X, а сперматогенезата осигурява узряването на два вида гомети: 22 автозоми + X или 22 автозоми + Y. При хората пола на нероденото дете се определя в момента на сливане на ядрото на яйцеклетката и спермата и зависи от кариотипа на спермата.
Хромозомен механизъм и определяне на пола
Вече разгледахме момента, в който се определя пола у човека - в момента на оплождането, а той зависи от хромозомния набор на спермата. При други животни представителите на различни полове се различават по броя на хромозомите. Например при морските червеи, насекоми и скакалци в диплоидния набор от мъже има само една хромозома от половата двойка, а при жените - и двете. Така хаплоидният набор от хромозоми на мъжкия морски червей Acirocanthus може да се изрази с формулите: 5 хромозоми + 0 или 5 хромозоми + x, а женските имат само един набор от 5 хромозоми + x в яйцата си.
Какво влияе върху половия диморфизъм?
В допълнение към хромозомните, има и други начини за определяне на пола. При някои безгръбначни - ротифери - полът се определя още преди сливането на гаметите - оплождането, в резултат на което мъжките и женските хромозоми образуват хомоложни двойки. Женските от морските полихети Dinophyllus произвеждат два вида яйца по време на оогенезата. Първите са малки, обеднени на жълтък и от тях се развиват мъжките. Други - големи, с огромно количество хранителни вещества - служат за развитието на женските. При медоносните пчели - насекоми от серията Hymenoptera - женските произвеждат два вида яйца: диплоидни и хаплоидни. От неоплодени яйца се развиват мъжки - търтеи, а от оплодени яйца - женски, които са пчели работнички.
Хормоните и тяхното влияние върху формирането на пола
При хората мъжките жлези - тестисите - произвеждат полови хормони като тестостерон. Те оказват влияние както върху развитието (анатомичното устройство на външните и вътрешните полови органи), така и върху физиологичните особености. Под влияние на тестостерона се формират вторични полови белези - структура на скелета, черти на фигурата, окосмяване по тялото, тембър на гласа.В тялото на жената яйчниците произвеждат не само полови клетки, но и хормони, които са полови хормони, като естрадиол, прогестерон, естроген, допринасят за развитието на външните и вътрешните полови органи, женски тип окосмяване по тялото, регулират менструален цикъли хода на бременността.
При някои гръбначни животни, риби и земноводни биологично активните вещества, произвеждани от половите жлези, силно влияят върху развитието на първичните и вторичните полови белези, но видовете хромозоми не оказват толкова голямо влияние върху формирането на пола. Например, ларвите на морски полихети - Bonellias - под въздействието на женските полови хормони спират растежа си (размер 1-3 mm) и се превръщат в мъжки джуджета. Те живеят в гениталния тракт на женските, които имат дължина на тялото до 1 метър. При по-чистите риби мъжките поддържат хареми от няколко женски. Женските, в допълнение към яйчниците, имат зачатъци на тестисите. Веднага след като мъжът умре, една от женските в харема поема неговата функция (в тялото й започват активно да се развиват мъжки полови жлези, които произвеждат полови хормони).
Регулиране на пола
Извършва се по две правила: първото определя зависимостта на развитието на рудиментарните гонади от секрецията на тестостерон и хормона MIS. Второто правило показва изключителната роля на Y хромозомата. Мъжкият пол и всички анатомични и физиологични характеристики, съответстващи на него, се развиват под влияние на гени, разположени на Y-хромозомата. Взаимовръзката и зависимостта на двете правила в човешката генетика се нарича принцип на растеж: в ембрион, който е двуполов (т.е. имащ зачатъци на женските жлези - Мюлеров канал и мъжките полови жлези - Волфов канал), диференциацията на ембрионалната гонада зависи от наличието или отсъствието на Y хромозома в кариотипа.
Генетична информация за Y хромозомата
Изследвания на генетици, по-специално T-H. Морган, беше установено, че при хората и бозайниците генният състав на X и Y хромозомите не е еднакъв. Човешките мъжки хромозоми нямат някои от алелите, присъстващи на X хромозомата. Техният генофонд обаче съдържа гена SRY, който контролира сперматогенезата, водеща до формирането на мъжкия пол. Наследствените нарушения на този ген в ембриона водят до развитие на генетично заболяване - синдром на Swire. В резултат на това женският индивид, развиващ се от такъв ембрион, съдържа в XY кариотипа полова двойка или само част от Y хромозомата, съдържаща генния локус. Активира развитието на половите жлези. При болните жени не се диференцират вторични полови белези и те са безплодни.
Y хромозома и наследствени заболявания
Както беше отбелязано по-рано, мъжката хромозома се различава от X хромозомата както по размер (тя е по-малка), така и по форма (прилича на кука). Наборът от гени също е специфичен за него. По този начин, мутация в един от гените на Y хромозомата се проявява фенотипно чрез появата на кичур груба коса на ушната мида. Този знак е характерен само за мъжете. Известно е наследствено заболяване, наречено синдром на Клайнфелтер. Болният мъж има допълнителни женски или мъжки хромозоми в своя кариотип: XXY или XXYY.
Основните диагностични признаци са патологичен растеж на млечните жлези, остеопороза и безплодие. Заболяването е доста често: на всеки 500 новородени момчета има 1 пациент.
За да обобщим, отбелязваме, че при хората, както и при другите бозайници, полът на бъдещия организъм се определя в момента на оплождането, поради определена комбинация от полови X и Y хромозоми в зиготата.